盤點：干細胞療法在脊髓損傷的臨床進展

介紹

脊髓損傷 (SCI) 是一種毀滅性損傷，是患者和醫療保健系統廣泛心理和經濟負擔的來源。據估計，SCI僅在美國就影響了超過100萬人，每年大約有17,000例新病例。目前的治療方法包括脊柱減壓手術、痙攣治療和康復治療。盡管臨床管理取得了一些進步，改善了患者的生活質量，但SCI的恢復非常有限，尋找麻痹的替代療法仍然是重中之重。

2020年11月5日，浙江大學醫學院附屬第二醫院在國際期刊《Stem Cell International》上發布了一篇《脊髓損傷干細胞治療進展》的研究結果。

時間敏感且復雜的病理生理學使得研究SCI的治療靶標變得特別困難。在最初的機械損傷之后，會發生一系列使患者病情惡化的繼發性事件。炎癥反應、神經膠質細胞增生、抑制環境的形成和疤痕形成會阻礙軸突再生并限制許多治療干預的潛力（圖1）。

干細胞療法在脊髓損傷中表現出神經保護和神經再生潛力，具有不同的目標和對刺激的反應，例如調節炎癥反應、提供營養支持和提高可塑性。通過這些過度潛在的機制，來自不同組織來源的各種細胞，包括骨髓間充質干細胞（BM-MSCs）、臍帶間充質干細胞（U-MSCs）、脂肪來源的間充質干細胞（AD-MSCs）、神經干細胞(NSCs)、神經祖細胞 (NPCs)、胚胎干細胞 (ESCs)、誘導多能干細胞 (iPSCs) 和細胞外囊泡 (EVs)。以往的綜述討論了脊髓損傷的細胞治療，但缺乏系統的闡述，如這些細胞的原始功能、修飾細胞的功能、聯合治療的效果等。（表1）。

細胞類型	效果
骨髓間充質干細胞	分泌神經營養因子 促進軸突再生 降低星形膠質細胞疤痕密度 減少炎癥反應 減少BSCB滲漏 調節自噬 減輕神經性疼痛 改善膀胱順應性
間充質干細胞	保護神經元 抑制神經膠質瘢痕 減少反應性星形膠質細胞 減輕脊髓缺血損害 減輕異常性疼痛和痛覺過敏 改善肌肉緊張、膀胱功能和尿液控制 改善SSEP  減輕神經性疼痛
AD間充質干細胞	保護神經元 促進細胞存活和組織修復 抑制免疫活性 分泌抗炎因子 激活血管生成 減少空腔形成 改善感覺和運動功能 改善勃起功能障礙
NSC和NPC	增加神經保護性細胞因子 改善細胞增殖 增加髓鞘形成 調節炎癥反應 促進呼吸恢復
胚胎干細胞	促進星形膠質細胞增生 使軸突能夠通過CSPG 支持結節結構 減輕神經性疼痛
iPS細胞	改善神經營養因子分泌 促進軸突萌芽 抑制脫髓鞘 促進突觸形成 抑制膠質瘢痕 縮小病灶大小 改善呼吸功能
源自干細胞的EV	調節軸突再生 保護細胞免于凋亡 抑制星形膠質細胞的活化 抑制炎癥 減少損傷大小 保護BSCB的完整性

干細胞移植治療脊髓損傷的策略

骨髓間充質干細胞

BM-MSCs是部分分化的祖細胞，存在于成人骨髓中并支持持續的造血和骨再生。這些細胞最初被認為是多能的，具有分化成神經元和神經膠質細胞的能力。

早期體內研究表明，將BM-MSC引入脊髓挫傷大鼠的損傷部位導致星形膠質細胞和神經元前體組織束的形成。將BM-MSC引入損傷部位可減少炎癥反應和星形膠質細胞瘢痕形成密度，和血脊髓屏障 (BSCB) 滲漏 ; 調制星形膠質細胞增生；減輕神經性疼痛；并改善后肢運動的功能恢復，這可能涉及基質金屬蛋白酶 (MMP) 2/STAT3通路。來自MSCs的條件培養基對SCI具有治療作用。

骨髓間充質干細胞移植治療脊髓損傷的臨床試驗

BM-MSC治療頸椎SCI患者的縱向研究擴展了自體BM-MSC并通過硬膜內注射引入了這些細胞。移植后6個月，10名候選人中的6名觀察到上肢運動功能和磁共振成像 (MRI) 圖像有所改善。6名完全SCI患者接受了自體MSC和SC治療，結果顯示美國脊髓損傷協會 (ASIA) 分級、膀胱順應性和軸突再生得到改善。同樣，一名慢性SCI患者接受了間充質干細胞治療，神經功能和行走能力得到改善。

總體而言，BM-MSC治療通過改善損傷部位的微環境、增強營養支持、調節炎癥反應和減輕BSCB滲漏，有利于SCI的恢復。患者通過接受自體細胞移植避免免疫反應。因此，BM-MSCs由于其降低的免疫原性和提高的可用性而具有巨大的SCI治療潛力。然而，單細胞類型的治療效果、歸巢能力、存活和增殖是有限的。進一步的研究應該集中在這些方面和聯合治療以提高BM-MSCs的療效。

臍帶間充質干細胞

最近的研究調查了從臍帶和脂肪組織中分離出的MSCs。研究表明，臍帶間充質干細胞保護神經元免于凋亡，通過調節MMP2抑制神經膠質瘢痕的形成，減輕脊髓的缺血損害，減少反應性星形膠質細胞，在動物實驗中改善運動功能，并減輕脊髓損傷后的異常性疼痛和痛覺過敏。與BM-MSC相比，臍帶間充質干細胞對神經元的寬動態范圍表現出更好的效果。

Park及其同事發現移植的臍帶間充質干細胞在SCI后1周表現出比12小時和2周更好的效果，這表明治療SCI的潛在時間點。

臍帶間充質干細胞移植治療脊髓損傷的臨床試驗

U-MSCs在注射到壓縮性骨折患者的脊髓蛛網膜下腔、硬膜內或硬膜外間隙后，改善了下肢的運動功能并擴張了萎縮的脊髓。U-MSC移植后，10例胸腰椎SCI患者中有7例在運動、肌張力、膀胱功能和尿控制方面與僅接受康復治療的患者相比有明顯改善。1例2年完全性頸椎SCI患者體感誘發電位（SSEP）及神經病理性疼痛臨床表現在U-MSC移植1年后明顯改善和減輕，SSEP反映有髓大纖維的生理功能。U-MSCs很容易獲得，因為臍帶通常被丟棄。U-MSCs是從臍帶血、血管周圍區域和臍帶靜脈內皮下獲得的，沒有倫理問題，這些細胞通過不同的機制有利于SCI的恢復。需要進一步的努力來全面評估UC-MSC移植的有效性。

脂肪來源的間充質干細胞

AD-MSC移植在慢性和急性SCI中顯示出令人滿意的效果。AD-MSCs的靜脈內給藥可激活血管生成并上調ERK和Akt，從而改善后肢運動功能。AD-MSC還通過增加β3-微管蛋白、BDNF和睫狀神經營養因子 (CNTF) 的表達來促進細胞存活和組織修復。除了直接作用外，人脂肪來源的干細胞轉分化為神經元/運動神經元樣細胞，從而減少空腔的形成并通過抑制星形膠質細胞再激活和抗炎因子的分泌來抑制免疫活性。

脂肪來源的間充質干細胞移植治療脊髓損傷的臨床試驗

一項研究調查了AD-MSCs自體移植對14名接受鞘內移植的脊髓損傷患者的影響。ASIA感覺和運動評分以及電生理學評估（包括 MRI 和肌電圖）用于確定效果。干預后，10名患者的感覺有所改善，但使用MRI顯示的病變大小保持穩定。接受AD-MSC治療的患者均未發生嚴重不良事件。在臨床轉化之前應闡明一些障礙，例如細胞生成的標準方案、細胞特征和潛在機制的明確披露，以及應使用更接近人類的大型實驗動物。

神經干細胞和神經祖細胞

NSC和NPC是多能細胞，分離自腦室和海馬的腦室下區以及脊髓中央管的室管膜區。這些細胞能夠分化成特定的神經元或神經膠質細胞，增強髓鞘再生并提供營養支持，這使得它們適用于SCI中的細胞移植治療。NPC主要分化為少突膠質細胞，增加髓鞘形成，并改善后肢功能。一項研究還表明，從腦室下區獲得的NPC移植可促進SCI后的呼吸恢復，而這對分化不起作用。NPC移植增加了NGF、CNTF、BDNF、IGF-1和 GDNF的表達，這有利于SCI恢復。NPC還通過抑制反應性巨噬細胞和T細胞以及神經保護性細胞因子的分泌來調節炎癥反應。

胚胎干細胞

胚胎干細胞是多能干細胞，能夠在體內分化成新的細胞類型。ESC分化為神經元和神經膠質細胞，以替代 SCI中的無功能細胞或組織。然而，由于致瘤性的風險，它們的未分化形式很少使用。先前的研究表明，ESC移植對SCI恢復有效。ESC可促進神經元存活和神經突發芽，具有治療SCI的潛力。

2014年的一項臨床研究表明，人ESC衍生的少突膠質細胞祖細胞移植對SCI患者是安全的。2016年的另外兩項研究表明，脊髓損傷患者在接受人類胚胎干細胞干預后身體功能得到恢復，并且沒有出現嚴重的并發癥。

誘導多能干細胞

由于胚胎干細胞的起源，人們對胚胎干細胞存在重大爭議。iPSC與ESC具有相同的多能特性，可能會解決這個問題。iPSC由重新編程的體細胞產生，這些體細胞與可接近的組織分離，例如自體皮膚，這避免了倫理問題，允許自體細胞移植，并防止排斥反應。

一份病例報告表明，從一名健康的86歲男性獲得的iPSC衍生的NSC分化為神經元和神經膠質細胞，并且軸突在細胞移植后延伸很長的距離并形成突觸。

挑戰與展望

干細胞在 SCI 細胞治療中具有神經再生和神經保護作用。SCI中基于細胞的療法在功能恢復方面具有不同的機制，例如免疫調節、細胞替代營養和支架支持。然而，干細胞療法存在特殊的安全問題。

首先，臨床前研究中經常討論與細胞療法相關的免疫毒性、免疫原性和致瘤性。

其次，有限的細胞存活和有限的整合是以往研究中的常見障礙，實驗設計不同，包括細胞數量、治療時間和移植策略。

三是要保證干細胞的遺傳穩定性、世代一致性和儲存安全。干細胞移植的質量和可重復性對臨床轉化至關重要。細胞起源和生長條件的微小差異可能會對結果產生重大影響。

第四，應進一步研究作用機制和生物學特性，以指導臨床應用。

最后，樣本量小、監督有限和質量差是大多數注冊臨床試驗的共同問題，阻礙了干細胞療法的發展。由于損傷類型和程度的異質性、治療的特定時間以及移植細胞的不同數量，標準方案很難確定。

結論

盡管細胞療法為脊髓損傷治療提供了重要希望，但臨床轉化仍存在許多障礙。這些障礙包括合適的細胞類型和來源、細胞存活率、干細胞的質量和可重復性以及最佳移植劑量和時機。實驗動物與人存在內源性差異，臨床轉化前還需完成大量工作。每種類型的干細胞都有獨特的好處。以往的研究已經著眼于如何增強干細胞的功效，并取得了積極的成果。未來的治療可能會使用各種新策略來解決SCI的問題。